祝 兵， 徐國(guó)際， 崔圣愛(ài)， 康啊真

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031）

0 引 言

為深入貫徹全國(guó)教育大會(huì)精神和《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》，教育部關(guān)于深化教育教學(xué)改革、全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量發(fā)布了教高（2019）6 號(hào)文件［1］。文件為嚴(yán)格管理教育教學(xué)，建議“推動(dòng)科研反哺教學(xué)”，推動(dòng)高校將最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣，倡導(dǎo)更大范圍開(kāi)放共享國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研基地，并引導(dǎo)學(xué)生理性參加競(jìng)賽，達(dá)到以賽促教、以賽促學(xué)。這一倡導(dǎo)與建議可以最大限度發(fā)揮研究型高校自身的研究?jī)?yōu)勢(shì)，進(jìn)行教學(xué)與科研的相互促進(jìn)與發(fā)展，改善高校教學(xué)與科研資源的不均衡配置問(wèn)題［2-6］。

近年來(lái)，隨著國(guó)家在軌道交通領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)土木工程類(lèi)高質(zhì)量人才的需求也不斷提升。工程類(lèi)人才在培養(yǎng)過(guò)程中，不僅要注重基礎(chǔ)知識(shí)理論的學(xué)習(xí)，更要學(xué)會(huì)理論聯(lián)合實(shí)際，切實(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，具備在該領(lǐng)域的前瞻視野?！肮こ探Y(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合理論與方法”課程面向跨海橋梁在復(fù)雜海域中的建設(shè)需求，跨海橋梁在實(shí)際建造過(guò)程中，會(huì)面臨風(fēng)場(chǎng)、波浪場(chǎng)、流場(chǎng)的多場(chǎng)耦合作用［7-10］，課程的目的旨在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、了解多場(chǎng)耦合理論與方法，從而有助于學(xué)生在未來(lái)解決工程結(jié)構(gòu)在多場(chǎng)耦合作用下建造與運(yùn)營(yíng)的安全問(wèn)題。而多場(chǎng)耦合理論與方法具有抽象、難理解的特征，單純進(jìn)行理論介紹講解會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)、理解困難，消磨學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性。

本文以實(shí)際跨海橋梁典型箱梁波流試驗(yàn)科研進(jìn)度為切入點(diǎn)，將科研應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中，同時(shí)舉辦匯報(bào)競(jìng)賽，落實(shí)“以賽促教、以賽促學(xué)”，最大程度幫助學(xué)生理解多場(chǎng)耦合理論方法與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，為該類(lèi)課程科研反哺教學(xué)方式提供一定參考。

1 近海橋梁波流力試驗(yàn)科研反哺

1.1 研究背景

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)舟山連島工程及環(huán)渤海灣、長(zhǎng)三角、珠三角、臺(tái)灣海峽，以及國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略中“21 世紀(jì)海上絲綢之路”沿線經(jīng)濟(jì)區(qū)域的互聯(lián)互通，越來(lái)越多跨海橋梁處于建造或規(guī)劃建造中［11-12］。限于我國(guó)沿海通道多處于近海島礁區(qū)，我國(guó)跨海橋梁處于復(fù)雜的海洋環(huán)境，面臨風(fēng)、浪、流等復(fù)雜海況。

其中橋梁上部結(jié)構(gòu)，作為橋梁正常運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵上部結(jié)構(gòu)，隨著近岸跨海橋梁的大規(guī)模建設(shè)，被颶風(fēng)波流作用破壞的案例不斷增加［13-15］。其主要原因?yàn)榇怪狈较虻牟髁Τ隽肆后w自重及連接結(jié)構(gòu)約束力，導(dǎo)致梁體從支座上脫落，產(chǎn)生落梁破壞。因此研究橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪、流多場(chǎng)耦合作用下表現(xiàn)具有重要意義。

為幫助學(xué)生學(xué)習(xí)了解工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合理論與方法，本課程選擇1∶30 水槽模型波流試驗(yàn)作為試驗(yàn)案例教學(xué)，以淹沒(méi)深度、波高、周期和流速為研究參數(shù)，測(cè)試箱梁結(jié)構(gòu)在規(guī)則波浪作用的水平力、垂直力和彎矩。

1.2 試驗(yàn)方法

本教學(xué)案例試驗(yàn)于西南交通大學(xué)深水大跨橋梁試驗(yàn)室的波流水槽中進(jìn)行，如圖1 所示。該水槽亦在課程期間開(kāi)放給學(xué)生進(jìn)行參觀，幫助學(xué)生了解試驗(yàn)內(nèi)容。該水槽尺寸為1.8 m（高）×2.0 m（寬）×60 m（長(zhǎng)），一側(cè)裝有活塞式推板造波機(jī)；另一端設(shè)置了1∶5斜率的覆蓋泡沫消波材料的消波段來(lái)減少波浪反射，底部設(shè)有造流系統(tǒng)，最大造流寬度2.0 m，最大造流深度1.2 m。結(jié)構(gòu)原型參考近海橋梁常用截面形式，選取高度為2.7 m、長(zhǎng)度為15 m的箱梁截面形式。箱梁模型根據(jù)Froude相似準(zhǔn)則按1∶30 設(shè)計(jì)，模型頂部連接測(cè)力天平。

圖1 西南交通大學(xué)波流水槽及箱梁結(jié)構(gòu)

為研究箱梁在颶風(fēng)波流作用下受力與安全性能，定義結(jié)構(gòu)的淹沒(méi)系數(shù)Cs為淹沒(méi)深度yb與梁高h(yuǎn)b的比值（yb為箱梁模型底部到水面距離），試驗(yàn)需驗(yàn)證Cs=0.0，0.5，1.0，1.5 和2.0 共5 種淹沒(méi)深度的梁體所受波流力。根據(jù)橋址100 a 復(fù)現(xiàn)期的波、流參數(shù)范圍確定試驗(yàn)工況，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)工況及參數(shù)

該試驗(yàn)考慮了波浪與水流的耦合作用及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，利用多場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)幫助學(xué)生了解工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合方法，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)的目的。

1.3 水流對(duì)波浪力的影響

在淹沒(méi)深度Cs=0 和1 時(shí)結(jié)構(gòu)受到的波流力隨流速的變化分別如圖2、3 所示。

圖2 Cs =0時(shí)結(jié)構(gòu)所受波流力極值

由圖2 可見(jiàn)，當(dāng)Cs=0 時(shí)，由于上翼緣對(duì)流場(chǎng)的遮擋作用，與結(jié)構(gòu)接觸的波面附近流場(chǎng)發(fā)生動(dòng)量傳遞，增加了水平動(dòng)量，從而導(dǎo)致逆向流流速的上升引起更大的垂直和水平力。而正向流使波高減小，波峰僅能到達(dá)箱梁腹板，導(dǎo)致垂直力作用面積減小，抨擊效應(yīng)減小。在波峰未達(dá)到上翼緣的情況下，水平力主要受腹板高度處水質(zhì)點(diǎn)速度的影響，所以隨著流速的增大，水平力峰值也隨之增大。圖中Fh，max和Fh，min分別表示結(jié)構(gòu)受到的水平波流力最大值與最小值，即水平波流力極值；Fv，max和Fv，min則分別表示結(jié)構(gòu)受到的豎向波流力的最大值與最小值，即豎向波流力極值。

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cs=1 時(shí)，梁完全淹沒(méi)在水中，垂直力峰值在流速u(mài) =0.183 m/s 處出現(xiàn)了最小值，當(dāng)流速由正變負(fù)時(shí)，該值有增大的趨勢(shì)。當(dāng)逆向流速達(dá)到一定程度時(shí)，向上垂直力峰值反而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。該現(xiàn)象是由于波浪力時(shí)程是在波面與上翼緣發(fā)生抨擊時(shí)達(dá)到最大值，而此時(shí)由于箱梁上方的甲板涌浪導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)上方流場(chǎng)變化，使得一定程度上減小了沖擊力作用。

圖3 Cs =1時(shí)結(jié)構(gòu)所受波流力極值

在實(shí)際教學(xué)中，由于工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合理論的抽象性，學(xué)生難以理解多場(chǎng)耦合與單場(chǎng)聯(lián)合的具體區(qū)別。通過(guò)具體的工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果，直觀展現(xiàn)了多場(chǎng)耦合理論的特點(diǎn)，幫助學(xué)生理解相關(guān)理論，啟示學(xué)生自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)。

2 推廣與成效

2.1 以賽促教，以賽促學(xué)

為了實(shí)施“以賽促教、以賽促學(xué)”，本課程設(shè)立以小組為單位的匯報(bào)競(jìng)賽，要求學(xué)生結(jié)合工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合理論知識(shí)點(diǎn)與課堂所授多場(chǎng)耦合試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，總結(jié)收獲心得，鼓勵(lì)學(xué)生在波流-結(jié)構(gòu)耦合研究理論的基礎(chǔ)上拓展風(fēng)-波-流-結(jié)構(gòu)等多場(chǎng)耦合理論知識(shí)與方法，圖4 為學(xué)生匯報(bào)競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 匯報(bào)競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)這種小組形式的匯報(bào)競(jìng)賽，啟示學(xué)生在多場(chǎng)耦合理論領(lǐng)域開(kāi)展自我學(xué)習(xí)、總結(jié)與歸納。通過(guò)課程結(jié)束后與學(xué)生交流發(fā)現(xiàn)，這種形式可以有效提高學(xué)生總結(jié)歸納及表達(dá)的能力，達(dá)到“以賽促教、以賽促學(xué)”。

2.2 教學(xué)成效

圖5 展示了“工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合理論與方法”的2021 年下半年成績(jī)分布及與往屆學(xué)生成績(jī)對(duì)比。

圖5 課程成績(jī)分布與對(duì)比

通過(guò)圖5 可知，通過(guò)在本課程實(shí)施科研反哺教學(xué)，學(xué)生的整體成績(jī)有顯著上升。其中成績(jī)達(dá)到優(yōu)秀和良好的人數(shù)比例較以往兩屆學(xué)生成績(jī)提升明顯，近3 年首次未有學(xué)生出現(xiàn)不及格成績(jī)。

與此同時(shí)，在結(jié)課時(shí)開(kāi)展座談會(huì)與學(xué)生交流其在課程的體驗(yàn)與收獲，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查與反饋、學(xué)生評(píng)教與評(píng)學(xué)。結(jié)果均顯示采用“科研反哺教學(xué)、以賽促教、以賽促學(xué)”可以使學(xué)生在課堂上參與感與成就感明顯提升，幫助學(xué)生理解多場(chǎng)耦合理論等抽象概念，抓住學(xué)生注意力，有助于理論聯(lián)系實(shí)際，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于教高（2019）6 號(hào)《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見(jiàn)》第七條“推動(dòng)科研反哺教學(xué)”，以“工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合理論與方法”教學(xué)為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)合典型近海橋梁箱梁波流力水槽試驗(yàn)，討論了科研反哺教學(xué)的實(shí)施方式與成效。主要結(jié)論如下：

（1）利用典型近海橋梁箱梁波流力水槽試驗(yàn)可以有效幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)工程結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合理論，通過(guò)設(shè)立以小組為單位的匯報(bào)競(jìng)賽，可以顯著提升學(xué)生的課堂參與感與自主學(xué)習(xí)能力，做到“以賽促教、以賽促學(xué)”。

（2）通過(guò)科研反哺教學(xué)的推廣與實(shí)施，可以改善課堂的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，更好抓住學(xué)生注意力，提升學(xué)生的成績(jī)。